镉诱导肝损伤的研究进展

刘畅，李磊，王艳，朱倩，姚鑫，赵磊

（安徽科技学院、动物营养调控与健康安徽省重点实验室，安徽滁州 233100）

我国环境中镉（Cadmium，Cd）污染日趋严重，部分地区土壤中Cd污染含量较高，这使得农业耕地的土壤质量下降。其中，Cd污染点位超标率高达7.0%，是草地和耕地的主要污染物之一[1]。Cd可对人和动物机体造成多种毒性作用。可溶性Cd的慢性积累可导致多种组织脏器损伤，包括肾组织、肝组织和肺组织等[2]。在细胞水平上，Cd除了能导致直接细胞毒性（细胞凋亡或死亡）外，还与癌细胞的恶性增殖有关，是I类致癌物。

肝脏是Cd的重要靶器官之一。Cd进入人和动物机体后，通过血液循环的运输到达肝脏，并在肝脏中进行蓄积，机体内大约1/6的Cd蓄积于肝脏。急性或高剂量Cd中毒主要表现为急性肝损伤[2]，甚至可导致Cd急性中毒者死亡[3]。

1 Cd在肝细胞内的转运

Cd一般通过胃肠道或呼吸道进入人和动物体循环，从而被转运到所有靶器官。而被胃肠道吸收的Cd首先与白蛋白结合，在肝门静脉循环的作用下运送至肝窦毛细血管，最终被肝细胞所摄取[4]。Cd在肝细胞内转运的过程分为两个阶段，第一阶段Cd通过内化作用与肝细胞的细胞膜结合；第二阶段Cd在肝窦状隙质膜上转运蛋白的作用下进行进一步转运。参与肝细胞Cd摄取的转运蛋白有DMT1、ZIP8和ZIP14。转运至肝细胞内的Cd通过巯基与还原型谷胱甘肽（GSH）或金属硫蛋白（MT）多基因家族MT-I和MT-II相结合形成复合物，并使其呈现“惰性”状态，因此MT-I和MT-II具有保护肝脏的作用[5]。然而，Cd与MT-I、MT-II所组成的复合物具有肾毒性，可导致肾Cd慢性中毒[6]。

2 Cd诱导肝损伤的超微病理学变化

Cd诱导肝损伤的超微病理学变化是深入研究Cd肝毒性作用机制的基础。采用电子显微镜/X射线光谱测定法在肿胀的线粒体内颗粒物中检测到了Cd的峰值，这表明细胞已镉中毒。Qi等[7]采用分析型透射电镜/X射线能谱仪（TEM/X-EDS）对Cd中毒的肝组织进行了超微结构分析和X射线能谱图分析。分析结果显示，Cd可引起肝细胞亚微米级超微结构发生病变，包括：膜结构塌陷、线粒体肿胀、内质网扩张、细胞器内部结构的破坏以及内含物的出现。通过TEM/X-EDS证明Cd能够在肝细胞线粒体内富集，同时也为Cd诱导的线粒体形态学变化提供了可视化证据。该研究结果表明，Cd能够导致肝细胞内线粒体结构被破坏甚至崩解，从而使得肝细胞内发生严重的亚微米级病理学变化。此外，Renugadevi等[8]采用共焦拉曼成像技术发现，在Cd中毒受损的肝细胞中某些特定的区域中脂类和蛋白质显著增加。

3 Cd诱导肝损伤的作用机制

Cd急性肝毒性，一方面通过直接作用所引起的原发性损伤，另一方面是由炎症引起的继发性损伤。Cd2+能够与线粒体关键分子的巯基结合而引起肝细胞的原发性损伤。结合后的巯基会导致线粒体关键分子的硫醇基失活，失活后的线粒体关键分子会造成肝细胞发生一系列病变，包括：线粒体功能障碍、氧化应激和线粒体通透性转换。Cd虽然能够直接损伤肝细胞，但是令人信服的理由是内皮细胞损伤所引起的局部缺血间接导致了机体内的肝损伤[9]。急性Cd暴露激活枯否细胞分泌大量炎性因子和细胞毒性介质，从而引发继发性损伤[9]。

目前包含几种假定的镉诱导肝毒性机制。肝损伤可能与膜蛋白、胞质蛋白和酶的巯基结合位点有关。Cd是一种非氧化还原性金属，能够通过降低细胞水平GSH（还原型谷胱甘肽）而间接引起肝细胞氧化应激。此外，Cd还与锌（Zn）、硒（Se）、铜（Cu）和钙（Ca）等必需金属元素相竞争[10]，从而干扰肝细胞金属膜转运、能量代谢等一系列细胞过程。同时，Cd还影响了细胞的酶活性、DNA损伤修复系统、氧化还原和信号转导等多种细胞功能。Cd通过分解E-cadherin/β-catenin复合物从而改变了细胞间的粘附[9]。Cd诱导肝损伤的主要机制有：炎性介质和粘附分子的产生、必需金属元素的内稳态、巯基失活、氧化应激、线粒体损伤以及细胞凋亡。

3.1 炎性介质和粘附分子的产生

在Cd诱导的肝毒性中，经Cd活化的枯否细胞会释放出大量的炎性分子。其中，TNF-α和IL-1β能够识别并激活肝脏中各种黏附分子的表达，包括E-选择素、ICAM-1、VCAM-1、P-选择素和β2家族整合素Mac-1[9,10]。肝细胞中黏附分子大量表达后引发一系列细胞和体液反应最终导致炎症和继发性肝损伤。

3.2 干扰必需金属元素的内稳态

Cd暴露能够扰乱体内其他金属元素的内稳态，然而Cd的影响取决于铁和锌等必需金属元素的机体状态。许多金属蛋白的功能关键取决于它们与金属的相互作用，尤其是过渡金属元素Cu、Fe和Zn。其中，Cd和Zn都不会转变其氧化态，以二价阳离子的形式在生物环境中出现。例如，Cd仅与金属硫蛋白中的硫元素位点结合，但在乙醇脱氢酶或个别锌指蛋白中Zn位点中有时夹杂着Cd配位。通过这种方式，内源性金属元素被Cd替代通常认为是Cd肝毒性的主要分子机制[10]。

3.3 巯基失活和氧化应激

Cd与巯基的结合亲和力强于与磷酸盐、氯化物、羧基或氨基基团的亲和力。富含半胱氨酸残基的MT和GSH通过巯基与Cd结合从而使其呈现“惰性”状态，因此巯基在保护Cd诱导的肝毒性中是十分重要的。非蛋白质和蛋白质的硫醇基失去活性后，会通过扰乱肝细胞内氧化还原状态而对肝细胞产生毒性[11]。机体内活性氧的浓度和抗氧化防御机制间的不平衡状态造成氧化应激，最终导致肝损伤。

3.4 线粒体损伤

Cd引起线粒体功能障碍的主要指标是线粒体的电子传递链和线粒体膜通透性的改变。另一方面，研究人员从雄性Wistar大鼠的肝脏中分离线粒体的过程中发现，Cd能够通过下游Q蛋白的抑制效应而干扰线粒体呼吸，结果造成线粒体内呼吸和磷酸化率降低[12]。因此，在高浓度无机磷酸盐的情况下，Cd能够诱导解偶联，是一种强大的解偶联剂，抑制琥珀酸、苹果酸/丙酮酸刺激呼吸。Cd对线粒体呼吸的影响与Cd的浓度密切相关：高浓度Cd可以抑制线粒体基础呼吸，而低浓度Cd能够促进静息呼吸。

在大鼠肝细胞线粒体中，Cd通过与NADH-辅酶Q还原酶（复合物Ⅰ）的结合位点相互作用，从而对其产生抑制作用。最近的研究结果表明，在虹鳟肝细胞线粒体中，Cd通过与复合物Ⅰ的黄素位点结合诱导活性氧生成，从而抑制线粒体呼吸[13]。在肝细胞线粒体中，Cd还能够抑制琥珀酸脱氢酶的活性。琥珀酸脱氢酶的抑制剂是丙二酸，其对Cd诱导的大鼠肝癌细胞AS-30D坏死具有保护作用，这表明琥珀酸脱氢酶在Cd诱导的线粒体损伤中起关键作用[8]。另外，有研究结果表明，Cd通过辅酶Q-细胞色素C还原酶（复合物Ⅱ）损害线粒体的电子传递，使得线粒体ETC受到抑制，从而Cd表现出较强肝毒性。

3.5 诱导细胞凋亡

Cd能够导致肝细胞Hep3B胞内钙离子浓度升高，从而触发肝细胞内细胞凋亡诱导因子和核酸内切酶G的核移位。在大鼠肝细胞中，线粒体动力相关蛋白1（Drp1）在Cd诱导的细胞凋亡中起关键作用。Cd诱导产生的Drp1能够显著增强细胞色素C的释放、活性氧以及Caspase-3的激活的生成，从而降低线粒体跨膜电势，最终导致细胞凋亡。另一方面，Cd还可通过激活NO和Caspase-8而诱导细胞凋亡[9,14]。

4 结语

在Cd中毒的过程中氧化应激起到关键作用，其可导致多脏器损伤，尤其对肝组织和肾组织的损害尤为严重。将Cd体内暴露水平与体外暴露水平进行比较可以得到有意思的结果，但是在进行不同试验间比较时则应谨慎。因为体外细胞系通常抵抗力较强，所以对于体外细胞系来说Cd体外暴露水平较高。通过体外试验得到的结果不能完全代替动物体内的真正过程。在这种情况下，有必要将体内与体外相结合进行全面综合分析，共同确定Cd诱导的肝损伤机制，以便取得较大进展。就目前研究来看，镉诱导的肝细胞损伤确切机制仍是未知的，这将是今后研究Cd诱导肝损伤的重点。